水文地质学课件

1、,LOGO,贵州大学水文与水资源工程教研室,Fundamentals of Hydrogeoloy 水文地质学基础,第八章 地下水系统 Groundwater system,Company Logo,8.3 地下水流动系统,8.2 地下水含水系统,本章内容,8.1 地下水系统的概念,8.1 地下水系统的概念,源于：系统论上世纪40年由贝塔朗菲提出 发展于20世纪80年代， 在荷兰召开了首届关于地下水系统的国际学术讨论会（50个国家的200多名代表参加） 83年底荷兰水文与地质学家G.B.Engelen来华进行了讲学，“地下水系统”（在我校、河北正定水文所、北京水文地质公司）。 90年代起：在中

2、国水文地质学界得以迅速广泛的应用、研究与完善（地矿部陈梦熊院士，长春地院的林学钰院士，中国地质大学的地下水系统小组等）,8.1.1 系统与系统方法,系统：由相互作用和相互依赖的若干组成部分结合而成的具有特定功能的整体 相互作用，相互依赖不是各部分或零部件的简单堆集 整体功能大于局部（要素）之和 系统方法：用系统思想去分析与研究问题方法称之 系统思想：就是把研究对象看作一个有机整体，从整体角度去考察、分析与处理问题的方法 系统目标 系统整体功能的最优化（不是局部的）,8.1.2 地下水系统,1、地下水系统是个广义的泛指概念 （1）地下水含水系统 Groundwater aquifer syste

3、m （2）地下水流动系统 Groundwater flow system 地下水含水系统是指有隔水或相对隔水岩层圈闭的，具有统一水力联系的含水岩系 地下水流动系统是指从源到汇的流面群构成的，具有统一时空演变过程的地下水体 2、地下水含水系统与地下水流动系统的比较 a.两者的共同点: 突破了把单个含水层作为功能单元的传统，力求以系统的观点去考察、分析与处理地下水体,潜水承压含水层,流网图,潜水与承压含水层含水系统,河间地块流网与流动系统,系统的比较,b.两者的不同比较 含水系统 流动系统 根本不同 一个是静态系统 一个是动态系统 分类依据 根据储水构造划分的 根据水的流动特征 以介质场为依据 以

4、渗流场为依据 系统发育史 共同的地质演变历史 共同的地下水演变历史 地层形成史一致 水的补给径流统一 边界性质 相对隔水的地质边界 流面(分水线)水力边界 地质上的零通量面 水力零通量面 系统的可变性 边界固定不变 边界可变,系统规模数目变 不变静态的系统 是可干扰的动态系统 统一性 统一的或潜在统一的 水盐热量时空演变统一的 水力联系 研究意义 有助于从整体上研究 有助于研究水量、水质 水量盐量、热量的均衡 水温的时空演变(水质),8.1.2 地下水系统,c. 两者的关系： 通常，一个大的含水系统可以包含若干个流动系统 两者都可以进一步划分为子系统 分层次的：子系统是不同、大的系统是一致的

5、流动系统在人为流动影响下，规模、数量均会发生变化 受到大的含水系统边界的、制约，通常不会越出大的含水系统边界,两者的关系,地下含水系统与流动系统的关系,Company Logo,8.2 地下水含水系统,一、地下水含水系统概念（p8485） 地下水含水系统是指有隔水或相对隔水岩层圈闭的，具有统一水力联系的含水岩系 二、不同类型的含水系统-（图8-5） 松散沉积物 基岩裂隙岩层、岩溶地层,Company Logo,8.3 地下水流动系统,8.3.1 地下水流动系统（GFS）概念 地下水流动系统是指从源到汇的流面群构成的，具有统一时空演变过程的地下水体 早在1940年，Hubbert正确地画出了河间

6、地块流网 1963年，J.Toth 用数学模型做了复杂盆地的潜水流网 以拉普拉斯方程为基础的数学解，二维稳定流动 复杂地形条件：正弦函数+直线方程地形线代替水头值（势分布） 画出理想盆地的流动系统模拟图，P87，图8-7,流动系统划分为：,局部流动系统？个；中间流动系统？个；区域流动系统？个；,GFS理论的两个前提：,（1）区域水力连续性 从较长的时间尺度与较大的空间尺度来考察问题 广大范围内的地下水存在着水力联系时间因素 （2）控制地下水流动的是“势”-地形，不是地质条件 Toth认为： 从水力学角度看，地下水体的天然单元是地形盆地，而不是地质盆地 驱动水流的势来自区域地形高处，水从地形高处

7、向地形低处运动,8.3.2 GFS的水动力特征,GFS的水动力特征 高势区（势源）地形高处：地下水由上至下运动 低势区（势汇）地形低处：地下水由低向上运动 垂向运动中： 由上至下，势能除克服摩擦消耗部分能量外，势能压能转化； 由下至上，部分储存的压能释放转化为势能 垂向运动的存在：传统的“承压”现象在潜水中也可以出现 流动方向的多样性：由上至下，由下至上，水平运动 流动特征的伴生现象-生态、环境的关系,区域流动系统图,8.3.3 GFS的水化学特征,GFS的水化学特征 地下水流动系统的水力特征决定了水化学特征 在流动系统中，水质取决于空间某点： 入渗补给；流程流径长度；流速；流动过程中物质补充

8、及迁移性；流程中经受的水化学作用 局部：流程短，流速快（交替快），TDS 低，水型简单 区域：流程长，流速慢（交替迟缓），TDS 高，水型复杂 垂直与水平分带性 水化学积聚区：相汇处 圈闭带，相背处 准滞流带 矿化度，水型与水学形成作用方式，与水力特征相关一致,区域流动系统图,局部：流程短，流速快（交替快），TDS 低，水型简单 区域：流程长，流速慢（交替迟缓），TDS 高，水型复杂 垂直与水平分带性,地下水流动系统中的水质演变,区域地下水流动及其伴生标志,水化学积聚区：相汇处 圈闭带， 相背处 准滞流带,8.3.3 GFS的水温特征,GFS的水温度特征 地温分布曲线受 水流作用影响 上升水流

9、产生正增温 下降水流产生负增温,地下水流动系统的总结,地下水流动系统理论其实质是以地下水流网为工具，以势场介质场的分析为基础。将渗流场、水化学场、温度场统一于新的地下水流动系统概念框架之中 将传统认为互不相关联的地下水各方面的表现联系在一起，纳入到一个有序的地下水空间与时间连续演变的结构之中，有助于人们从整体上把握地下水质与量特征、地下水系统与环境之间联系 -这一分析方法叫做地下水系统方法 地下水流动系统图 第八章结束,区域流动系统图,思考题,一个地形复杂地区，是否发育多级流动系统，主要取决于哪些因素 阅读图8-12，理解控制地下水流动系统的因素,LOGO,贵州大学水文与水资源工程教研室,Fu

10、ndamentals of Hydrogeoloy 水文地质学基础,第九章 地下水动态与均衡,Company Logo,本章内容,9.1 地下水的动态,9.2 地下水的均衡,Company Logo,9.1 地下水的动态,含水层（含水系统）经常与环境发生物质、能量与信息的交换，时刻处于变化之中与时间有关 地下水动态的概念 在与环境相互作用下，含水层（含水系统）各要素（如水位、水量、水化学成分、水温等）随时间的变化，称之。,Company Logo,9.1.1地下水动态的形成机制,与环境的相互作用 降水补给地下水系统水位上升 (出现变化） 激励脉冲式的降水 响应波状信号的信息 地下水水位对外界输

11、入（降水）响应的特点： （1）滞后和延迟现象 （2）有叠加现象 因外界激励（或输入）而引起的系统响应（或输出）的变化幅度是含水系统内部结构作用的结果 某要素（水位）随时间的变化程度用稳定性来恒量 动态稳定变化幅度小 动态不稳定变化幅度大,地下水动态曲线,Company Logo,降水补给引起地下水位响应滞后-延迟-叠加,Company Logo,河北饶阳地区地下水位动态曲线,思考？影响地下水位变化（动态特征）因素有哪些,Company Logo,9.1.2 地下水动态的影响因素,1、气象（气候）因素决定动态总轮廓 特点：大面积，普遍产生影响 (主要有降水与蒸发因素) 气象因素表现： 降水的年内

12、季节性变化 降水的 多年变化（如11年周期） 降水的 昼夜变化 与此相对应，地下水动态也有这三种周期性变化 昼夜变化 -在许多地区不明显 多年变化 -研究周期长 年内变化 -最突出,地下水动态曲线,Company Logo,气象（气候）因素,图93 潜水动态曲线 （19541955，北京） 虚线为气温；兰色柱状为降水量；红色为潜水位；黄色柱状为蒸发量,Company Logo,9.1.2 地下水动态的影响因素,2、水文因素 指地表水体的变化对地下水动态的影响 从右图中可以看出什么规律？ 与地表水体的距离有关 思考？与潜水比较, 受河水位影响承压水动态有何特点？,Company Logo,9.1

13、.2 地下水动态的影响因素,3、地质因素 地质因素是间接因素（相当于滤波器） 气候与水文因素决定了一个地区地下水动态的总轮廓 地质因素起修饰作用，滤波或削峰填谷的作用 潜水位的埋深：埋深的大小，对滞后-延迟时和变幅的影响 包气带岩性：K起作用； 饱水带岩性：K和均起作用 地下水所处的空间部位：补给区，排泄区。一般而言，补给区较排泄区更不稳定 4、人为因素 包括开采、人工回灌、灌溉、库渠渗漏、污水排放等,岩溶水动态特征,Company Logo,云南喷水洞地下暗河流量动态曲线,岩溶水动态,山西广胜寺岩溶泉流量动态曲线,Company Logo,9.1.3 地下水天然动态类型,潜水、承压水由于排泄

14、方式、交替程度不同，两者的动态特征也不同 1、潜水的动态类型三种类型 蒸发型 主要出现在干旱半干旱地区地形切割微弱的平原或盆地。 径流型 广泛分布于山区及山前 弱径流型 气候湿润的平原与盆地，蒸发排泄有限，径流排泄为主，但径流微弱。,Company Logo,9.2 地下水均衡,均衡：某一时间段、某一地段内，地下水水量（热量、盐量、能量）的收支状况，称为地下水均衡 动态是均衡的外部表现 9.2.1 地下水均衡方程式质量守恒定律 均衡区：均衡计算所选定的区域（三维的） 均衡期：均衡计算的时间段（一个水文年） 均衡方程式一般表达形式：A - B = W A收入项； B支出项； W均衡时段内，均衡区

15、的水量变化量 均衡结果（表现）：正均衡或负均衡,潜水均衡,Company Logo,地下水均衡图示,潜水均衡方程式： Xf + Yf + Zc + Wu1 + Qt - ( Zu+Qd+Wu2 ) = h,Company Logo,地下水均衡图示,潜水均衡方程式： Xf + Yf + Zc + Wu1 + Qt - ( Zu+Qd+Wu2 ) = h,Company Logo,潜水均衡方程式,Xf + Yf + Zc + Wu1 + Qt - ( Zu+Qd+Wu2 ) = h 几种条件下的潜水均衡方程式： 干旱半干旱平原区：忽略Zc ；地形切割微弱Qd0； 无越流时Qt =0；径流滞缓Wu1

16、 Wu2 0； Xf + Yf - Zu =h 多年均衡条件下 ：h =0，则 Xf + Yf = Zu 湿润山区潜水均衡 Zu =0 Xf + Yf = Qd 强烈开采区 Xf + Yf = Q开,Company Logo,9.2.2 区域地下水均衡,堆积平原含水系统地下水均衡模式图,Company Logo,堆积平原含水系统地下水均衡模式分析,分区（三段均衡区）分析：,用含水系统分析，水量均衡方程：,进行水均衡研究或计算，切忌避免重复；否则会人为地夸大地下水的可利用量，造成不可挽回的损失和后果,Company Logo,本章小节,地下水动态主要是含水系统水量（盐量、热量等）收支平衡状况的综

17、合表现。 影响地下水动态的因素有：气象、水文、地质条件和人类活动。 地下水均衡计算，应从系统角度遵循质量守恒定律来分析。 地下水量均衡方程式的一般表达式为： 收入项 支出项 = 系统储存量的变化,Company Logo,思考题,1、一个地区，如何依据地下水动态变化特征，分析地下水均衡状况（或特点）。 2、强烈人工开采条件下，抽水井的水有哪些来源？潜水均衡方程式将有哪些变化。 -第九章结束-,贵州大学水文与水资源工程教研室,第十章 孔隙水 pore water,Fundamentals of Hydrogeoloy 水文地质学基础,Company Logo,本章内容,10.1 洪积物中的地下水

18、,10.2 冲积物中的地下水,10.3 黄土高原的地下水,10.4 孔隙含水系统实例分析,湖积物中的地下水参考书中自学,Company Logo,赋存于不同空隙中的地下水特征与地质环境有关 10.1.1 典型地区洪积扇(Alluvial fan)的形成 10.1.2 地下水的特征具明显的分带性 （由扇顶扇缘（前）的分带性 10.1.3 地下水赋存条件与特征 从沉积物形成时的水动力条件入手， 分析沉积岩性的变化规律， 到地下水的赋存条件与特征。,10.1 洪积物中的地下水,Company Logo,10.1.1 典型地区洪积扇(Alluvial fan)的形成,地形地貌 地形高，陡（扇顶） 地形

19、低缓（扇缘） 水动力条件 水流集中 分散 流速快（高能区） 慢（低能区）,Company Logo,典型地区洪积扇沉积物的分带性,沉积物粒度 粗（砾，粗砂） 中砂 细 极细、粘土 沉积特征 分选 差 中等 好,Company Logo,10.1.2 地下水的特征具明显的分带性赋存,透水性（K） 好 差 水位埋深 深 浅 渐深（或承压） 赋存 （深埋区） （溢流区） （下沉区）,Company Logo,10.1.3 地下水赋存条件与特征补给与排泄,补给 好 差 流动交替 V大，交替快 V小，交替慢 排泄 径流排泄 蒸发排泄,Company Logo,10.1.3 地下水赋存条件与特征补给与排泄

20、,补给 好 差 流动交替 V大，交替快 V小，交替慢 排泄 径流排泄 蒸发排泄,Company Logo,10.1.3 地下水赋存条件与特征水化学,形成作用 溶滤作用 浓缩作用 矿化度（TDS） 低 中 高 成分与类型 HCO3 SO4 Cl,Company Logo,10.1.3 地下水赋存条件与特征动态与均衡,动态 变幅 大 小 均衡 整体、统一的均衡区 景观（环境） 缺水区 泉，沼泽 盐渍化区,Company Logo,10.1 松散沉积物地下水赋存条件小结,综合上述分析： 分析不同沉积物类型的地下水赋存、运动和水化学特征等（简称水文地质条件），应从沉积物形成时的水动力场到沉积物沉积规律

21、，再到地下水的分带性特征来进行 掌握分析问题的思路与方法比死记更重要,即： 普通地质作用-地质地貌-水文地质条件 例如： 西北某些新构造运动影响的洪积扇 山西霍县-新构造运动结果有多个溢出带,Company Logo,西北某些新构造运动影响的洪积扇,山前水位埋深 深 浅 深 浅,Company Logo,水化学分带的异常：,水化学分带的异常： 西北地区较典型的分带 HCO3 - SO4 - Cl 华北平原水型分带 HCO3 - HCO3Cl - Cl 华南地区水型无分带 HCO3低矿化度水,Company Logo,10.2 冲积物（fluvial plain）中的地下水,河流沉积物与洪积物相

22、比： 经常性水流作用的结果 河流是线状或带状分布的，横向与纵向差异大；在冲积平原区往往发育有多条河流，呈交织状、发生改道且长期作用 冲积平原砂层的几何形态特征 冲积物的特征，从垂直河流横向切剖面来分析（郑州黄河中下游为例）：,见后页图,郑州剖面,Company Logo,冲积平原中的河道变迁及砂层的几何形态,A-A，B-B横切剖面砂层多为小透镜体 C-C，D-D纵向剖面砂层可以延伸很长。,Company Logo,10.2.1 郑州黄河中下游剖面水文地质剖面,在冲积平原上，古河道与现代河道，地势最高，沉积颗粒较粗的砂，向外，随着地势变低依次堆积亚砂土、亚粘土，在河间洼地的中心部位则堆积粘土。 由地势较高（堆积粗粒沉积）的现代与近代古河道，到地势低洼（堆积粘性土）的河间洼地，显示着良好的微地貌岩性地下水分带。,Company Logo,10.2.2 古河道河间洼地：地形与岩性,古现代河道 河间洼地 地形 高 低 岩性（粒度） 粗 细,Company Logo,10.2.3 古河道河间